Лопаточная решетка турбины

 

Использование: в энергетическом машиностроении , в частности при конструировании ступеней паровых турбин и компрессоров. Сущность изобретения: лопаточная решетка турбины имеет ряд лопаток 1, установленных с постоянным по окружности шагом t. Профили 4 лопаток имеют одинаковую по высоте хорду Ь. На спинках хвостовой части 3 выполнены равномерно расположенные по высоте продольные прямоугольные канавки 2/ имеющие ширину d в пределах 0,5-1.5% и глубину h в выходном сечении в пределах 0,5-1,5% от хорды Ь лопаток. 5 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з F 01 О 5/14

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4897772/Об (22) 29.12.90 (46) 23,09,92, Бюл. O 35 (71) Московский энергетический институт (72) А.Е.Зарянкин, В.Г,Грибин, A,Н.парамонов, А.А.Гольдберг, И.И.Гольдберг, С.Н.Иванов; Г.Е.Резницких и Г,Д.Баринберг (56) Патент США М 4229140, кл. F 01 0 5/18, 1980.

Авторское свидетельство СССР

% 1341356, кл. F 01 0 5/28, 1985. (54) ЛОПАТОЧНАЯ РЕШЕТКА ТУРБИНЫ

Изобретение относится к энергетическому машиностроению, в частности, может быть использовано при конструировании ступеней паровых турбин и компрессоров.

Известна лопаточная решетка, содержащая ряд лопаток, установленных с постоянным по окружности шагом и имеющая канавки в хвостовой части профиля (1).

Недостатком известного технического решения является то, что у лопаток хвостовая часть часть выполнена гофрированной, то есть с канавками желобковой формы на спинках вогнутых поверхностях для охлаждения лопаток газовых турбин и не могут обеспечить снижение аэродинамических потерь.

Наиболее близким техническим решением является лопаточная решетка турбины (2), содержащая ряд лопаток, установленных с постоянным flo окружности шагом и имеющих прямоугольные нашивки на спинке хвостовой части профиля шириной 3-6 )( и глубиной 3 — 107 от высоты лопатки.

„„5Q„, 1763679 А1 (57) Использование: в энергетическом машиностроении, в частности при конструировании ступеней паровых турбин и компрессоров. Сущность изобретения: лопаточная решетка турбины имеет ряд лопаток 1, установленных с постоянным по окружности шагом t. Профили 4 лопаток 1 имеют одинаковую по высоте хорду о. На спинках хвостовой части 3 выполнены равномерно расположенные по высоте про- дольные прямоугольные канавки 2, имеющие ширину б в пределах 0,5-1,57; и глубину h в выходном сечении в пределах

0,5 — 1,5 от хорды Ь лопаток. 5 ил.

Указанные соотношения были получены эксперимейтаФ йо и"пбзвблили Сййзить.потери для лопаток с высотой меньшей 40 MM.

Однако, дальнейшие исследования показали, что выбор высоты лопатки в качестве базового размера не позволяет учесть толщину пограничного слоя на стенках лопаток, которая является одним из основных факторов, определяющих уровень профильных потерь,и зависит от режима течения 4 и длины обтекаемой потоком поверхности, Q что особенно сказывается в решетках большой высоты, где доля концевых потерь составляет незначительную часть от уровня общих. В последнем случае выполнение лопаток с указанными соотношениями размеров канавок не только не обеспечивает достижения положительного эффекта, но может и существенно снизить экономичность турбины.

Недостатком данного технического решения является то, что его применение ограничено областью малых вь1сот лопаток, 1763679 где общий уровень потерь определяется в основном концевыми потерями и поэтому не позволяет выбрать оптимальный размер канавок для решеток с лопатками, высота которых больше 40 мм. Кроме того, в данном решении не учитывается то, что хорды профилей решеток различных турбин могут значительно отличаться по величине, которая оказывает в свою очередь существенное влияние на формировайие потерь.

Цель изобретения — снижение концевых и профильных потерь в более широком диапазоне типоразмеров лопаток, а также расширение диапазона рабочих режимов турбины.

Цель изобретения достигается тем, что в лопаточной решетке турбины, содержа. щей ряд лопаток, установленных с постоянным по окружности шагом и имеющих продольные, прямоугольные канавки на спинках в хвостовой части профиля, канавки выполнены глубиной в вь|ходном сечении

0,5 — 1,5;(, и шириной 0,5 — 1.5;ь от хорды лопатки.

Проведенные нами экспериментальные исследования показали, что определяющим размером канавок, оказывающим основное влияние на формирование структуры потока является глубина канавок, равная приблизительно 0,3 от физической толщины пограничного слоя д (3), которая в сваю очередь при заданном режиме течения зависит только от длины участка обтекаемой поверхности в направлении потока. Характернйм размером решеток, который достаточно полно характеризует величина хорды профиля

b. Ïðè этом и ширина канавки, будучи связанной с глубиной, должна иметь указанные соотношения. Ниже приведены данные экспериментальных исследований, подтверждающие правильность выбора укаэанных соотношений размеров канавок.

Таким образом, для достижения поставленной цели необходима совокупность этих отличительных признаков. В просмотренных источниках информации нами не обнаружены решетки турбин, лопатки которых имели бы продольные канавки с указанными соотношениями размеров. Следовательно, предложенное решение отвечает критерию существенности отличий.

На фиг. 1 изображена описываемая решетка турбины с продольными, прямоугольными канавками, продольный разрез и поперечное сечение А — А; на фиг. 2 — зависимость полных потерь ф = " от относительпо ной глубины h= h/Ь канавки; на фиг. 3— зависимость полных потерь = " от отнопо 1 сительной ширины а а/b канавок, где вполные потери в решетке с канавками, ф о— полные потери в решетке с гладкими лопатками, h — глубина канавок, а — ширина канавок и b — хорда профиля; на фиг. 4— зависимость профильных потерь от числа

М для решеток с канавками (кривая 2) и гладкими лопатками (кривая 1); на фиг. 5— зависимость потерь от относительной высо10 ты лопаток! Ь/l для решетки с канавками (кривая I) и решетки с гладкими лопатками (кривая l), Лопаточная решетка турбины содержит ряд лопаток 1, установленных с постоянным

15 по окружностй шагом т и имеющих канавки

2 на стенках хвостовой части 3 профилей 4.

Канавки 2 выполнены прямоугольными, глубиной h 0.5-1,5 и шириной а 0,5-1,5$ от хорды b профиля 5; Канавки 2 расположены

20 равномерно по высоте! лопатки 1.

Работа решетки заключается в следующем;

Решетка обтекается потоком пара в направленйи, совпадающем с направлением

25 канавок. В решетке происходит ускорение потока в каждом канале, образуемом профилями и периферийными обводами. В области косого среза происходит течение с положительным градиентом давления, в ре30 зультате чего происходит увеличение толщины пограничного слоя, которое может привести к отрыву потока от стенки лопатки.

Известно, что все наиболее эффективные методы предотвращения отрыва потока

35 базируются или на уменьшении толщины пограничного слоя, или на повышении напряжения трения на стенке. Расстояния от стенки У, где напряжение r достигает максимальной величины и зависит от безраз40 бР д мерного комплекса На - — - —, где б бх tN физическая толщина пограничного слоя, no — напряжение трения на стенке, На— параметр Гагена, Указанная зависимость

45 имеет вид:

В Б7йв+ З

Для расчетов используют приближенное соотношение Y = 0,33 д; Физическая толщи50 на пограничного слоя определяется по формуле:

А Ь („) где А и k — безразмерные коэффициенты, b — хорда профиля, с — скорость потока, мкинематическая вязкость.

При движении жидкости вдоль профильной поверхности, образованной про1763679 дольными прямоугольными канавками, глубиной равной приблизительно 0,3 д нарушаетсяя поперечная однородность пограничного слоя и создаются на уровне выступов различные условия торможения 5 потока. Для канавок на этом уровне находится зона наибольшей деформации профиля скорости, а над выступом движение потока практически полностью определяется увлекающим действием вышележащих 10 слоев, т.е, силами, обусловленными касательными напряжениями, Конечным результатом взаимодействия областей с различными скоростями является резкое повышение степени турбулентности над по- 15 верхностью, образуемой канавками и выступами, В конечном счете выполнение прямоугольных канавок приводит к активизации обмена энергией между различными слоя- 20 ми жидкости и увеличению средней скорости в пристеночной зоне, что позволяет значительно расширить диапазон экономической работы решеток и снизить потери энергии. 25

Кэк уже было отмечено выше„на уровень. потерь в решетке с прямоугольными канавками нэ стенках существенное влияние оказывает соотношение размеров канавок с размерами профиля, причем, ЗО определяющим размером является глубина выполнения канавок. Нэ фиг, 2 представлены результаты исследования лопаточной решетки, образованной профилями С90—

17А при фиксированных значениях чисел Re 35 и М, постоянной ширине э = 0,1 b(b = 60 мм) и переменнсй глубине канавок h.

Из графика видно, что выполнение канавок с глубиной превышающей 1,5 — 2% от хорды может привести к существенному 40 увеличению профильных потерь. При выполнении канавок глубиной меньше 0,30,5% от хорды положительный эффект, исчезнет.

45 Лопаточная решетка турбины, содержащая ряд установленных с постоянным по окружности шагом лопаток, профили которых имеют одинаковую по высоте хорду и на спинке хвостовой части — равномерно рас50 положенные по высоте продольные прямоугольные канавки, о т л и ч э ю щ а я с я тем. что, с целью повышения экономичности, канавки выполнены глубиной в выходном се- . чении 0,5 — 1,5% и шириной 0,5+1,5% от

55 хорды лопаток.

В данном случае максимальный эффект получен при глубине канавок примерно равной h = 01 Ь = 0,6 мм, что подтверждает вывод о том, что глубина канавок в выходном сечении должна быть равной примерно 0,3 д2, где д2,= 1,563 (мм}— физическая толщина пограничного слоя в выходном сечении.

На фиг. 3 представлены результаты исследований этой же решетки с фиксированной глубиной h-- 0,1 b и переменной шириной канавок а. Из приведенного графика видно, что зависимость потерь п от а/b имеет минимальные значения, лежащие в пределах 0,5 Ь < а < 1,5 b.

При выполнении канавок большой ширины, они практически не влияют на формирование структуры потока, а при меньшей потери превышают уровень потерь в гладкой решетке.

Нэ фиг. 4 представлена зависимость профильных потерь решетки профилей

С90 — 17А канавками оптимальных размеров от числа M. Из графика видно, что в диапазоне скоростей 0,4 < M < 1,1 решетка с канавками имеет потери меньше по сравнени "о с решеткой, имеющей гладкие лопатки. При скоростях М< 0.4 потери в предложенной решетке несколько выше, но так как в реальных турбинах режимы со скоростями, меньшими 0,5, практически исключены, можно считать, что выигрыш в снижении потерь достигается во всем диапазоне рабочих режимов.

На фиг. 5 представлена зависимость полных потерь @ в решетке С90 — 17А от

Ь/i, где Ь вЂ” хорда профиля,! — высота лопатки. Иэ представленного графика видно, .то и для решеток с короткими лопатками выполнение канавок с оптимальными размерами, определенными по хорде, приводит к резкому снижению полных потерь, в общем уровне ко-.орых превалируют концевые потери.

Таким образом, по сравнению с прототипом, предложенное решение позволит снизить потери в лопаточных решетках любой высоты в широком диапазоне режимов работы, что особенно важно для транспортных турбин, а также для турбин, работающих в пиковом и полупиковом режиме.

Формула изобретения

1763679

1763679

1763679

Составитель А. Зэрянкин

Техред М,Моргентал Корректор M,Aíäðóøåíêo

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 3439 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35. Раушская наб., 4/5